濺鍍介紹

在真空中，因高壓電場的加速而使具高能量的正離子撞擊固體表 面，固體表面的原子和分子與這些高能量入射粒子交換動能後，從固 體表面游離出來，這種現象稱為濺射(sputtering)，濺射原子到達基材

表面而進行薄膜沈積的過程則稱為濺鍍。最早描述直流濺鍍現象是在 西元1852 年由Grove 所發表：在氣體放電的實驗中觀察到直流放電 管壁某些地方會鍍上一層金屬薄膜[28]，而這層金屬薄膜是因為高能 量離子轟擊陰極金屬表面，使得陰極金屬原子濺鍍到放電玻璃管壁 上，離子的來源就是在氣體放電實驗中產生的電漿。

當被電場加速的離子到達濺射靶面時，將在靶面附近被由電場發 射出來的電子所中和而成為中性粒子，但是其卻仍保有高能量而撞擊 靶面，入射粒子在嵌入靶的表層後持續與內部的原子碰撞而逐漸失去 動能。當這種外界粒子撞入靶面後，入射粒子的高動能一部份以熱能 的形式消耗掉，另一部份能量則直接傳遞給靶材表面的原子，此一過 程將使濺射表層的結晶受到損傷，同時構成晶格原子的連續碰撞而朝 外部發射，形成所謂的濺射。其示意圖如圖 2-5 。

2.3.2 射頻磁控濺鍍原理

射頻濺鍍是在介電質靶材背面加一金屬電極且改用射頻交流 電（13.56 MHz），因為電子比正離子跑得快，在射頻的正半週期已 飛向靶面中和了負半週期所累積的正電荷，由於頻率相當快，正離 子一直留在電漿區，對靶材（陰極）仍維持相當高的正電位，因此 濺射得以繼續進行。所以射頻濺鍍法不僅可以濺鍍金屬，也可以濺 鍍絕緣體材料，其鍍膜速率較直流濺鍍快、成膜均勻、緻密度高、

成分與靶材差異小且與基板附著性佳，圖 2-6 為射頻濺鍍系統示意 圖。直流濺鍍及射頻濺鍍，帶電粒子的行進路線是沿著電場方向作 直線運動，產生的電漿游離率並不高，大多數的氣體原子都是不帶 電的，此種不帶電的原子無法被加速而產生濺鍍，導致濺鍍效率降 低，為了提高氣體的游離率及濺鍍效率，一般會在靶材上加裝磁 場，形成所謂的磁控濺鍍。如圖2-7示，其中灰白箭頭所指為磁控濺 鍍之磁場。磁控濺鍍可使電子被磁場與電場控制，而增加氣體碰撞 的機會，使游離離子的濃度增加，同時降低使用電壓與氣體壓力避免 有激烈放電的可能。

2.3.3 鍍薄膜成核與成長

自靶濺射出之原子，落在基板表面形成薄膜的過程如圖 2-8 所示，

可分為下列步驟[29-31]：

1. 吸附與脫附：

靶材濺射原子，物理性吸附於基板上，部分則被反射。

2. 擴散或再蒸發：

被吸附原子在表面上並非處於靜止狀態，而是利用剩餘能量 在基板上移動，並與表面上其他原子二次衝撞而形成原子團 (Cluster)，或在表面停留一段時間後再度蒸發。

3. 團簇與孕核：

在靶材濺擊的動作持續下，基板表面的吸附原子以單原子再 釋出，或不斷增加使原子團尺寸逐漸增加。

4. 成核：

當原子團尺寸達臨界成核大小克服成核能障時，原子團便可 穩定成長。

5. 成長：

晶核可平行或垂直基板表面成長，前者是藉由吸附於基板表 面的粒子經由擴散達成，後者則是靠入射粒子直接沈積於晶核上 完成。最後藉由鄰近之團簇聚合而形成連續膜。

通常薄膜成長可分為三類典型之成長樣式，以下分別說明：

1. Volmer - Weber樣式(三維島狀結構)：

當沈積於基板上之原子間吸附能大於原子在基板上之吸附 能時，晶核便以島狀結構成長，直到各島狀晶核相接形成連續薄膜，

如圖2-9。薄膜與基板不形成化合物的情況下，如金屬沈積於絕緣體

基板上，即屬此種成長樣式。

2. Frank - Vander Merwe樣式(二維層狀結構)：

當原子的基板吸附能比薄膜表面的吸附能大時，入射基板表面 的原子，在表面上擴散並與其他原子衝撞形成二維空間方向的成長，

如圖 2-10。同質磊晶(Homoepitaxy)(基板與薄膜為相同材料)形成半 導體薄膜即為一例。

3. Sranski - Krastanov樣式(混合成長結構)：

先以層狀結構成長，在形成一單層或數層原子的膜之後，接著 以島狀結構成長，目前這種成長模式的細節仍未完全被了解，但一般 認為最先形成之二維層承受來自晶格常數不匹配所產生的應變，當超 過某一臨界膜厚，因應變完全消弛而引發島狀結構成長，如圖2-11。

如矽基板上鍺薄膜及銀薄膜的成長。